CN102647032A - 一种微电流启动的悬浮电源 - Google Patents
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Abstract
一种微电流启动的悬浮电源，包括整流器、滤波器、触发器、调节开关、稳压器和电池模块，整流器、滤波器、调节开关和稳压器依次连接成稳压电路,稳压电路的输入端与工作线圈相连，输出端与输出回路相连；整流器、滤波器、触发器和电池模块依次连接成启动电路，启动电路的输入端与工作线圈相连，输出端与输出回路相连。本发明采用了智能芯片管理电流互感器在线取能与微型电池供能的混合供能方案，有效解决了现有技术存在的死区偏大的问题，在3～15000A的电流变化范围内取得了5V的稳定电压输出，在200mA电流、5ms时间内能够唤醒电路工作，断电守侯时间长达一年以上，电源的纹波小于20mV，提供的总功率为200mW，确保了高压侧电路的正常工作。
Description
技术领域
本发明属于电力系统测量技术领域，涉及一种应用在高电压场合下的供电电源，特别是一种微电流启动的悬浮电源。
背景技术
电力工业在国民经济中占有重要的地位。输变电设备是电力设备的重要组成部分。互感器是输电线路中不可缺少的重要设备，其作用就是按一定的比例关系将输电线路上的高电压和大电流数值降到可以用仪表直接测量的标准数值，以便于用仪表直接进行测量。互感器除用作测量外，还可以为各种继电保护提供电流和电压信号和动作电流。
电力系统一直用电磁式CT （电流互感器）和PT (电压互感器)测量一次侧电流和电压，为二次计量及保护等设备提供电流及电压信号.
电子式电流、电压互感器是无铁芯、绝缘结构简单可靠、体积小、质量小、线性度好、无饱和现象、输出信号可直接与微机化计量及保护设备接口的电力互感器。现代光学技术、微电子学技术的发展使得电子式互感器的发展及实用化成为现实。
依据国际电工委员会的标准，电子式互感器可以分为有源式和无源式两种。
无源式是指传感头部分采用先进的光学传感原理，并通过光纤将信号传送到低电位侧的电子式互感器。由于传感器输出信号本身就是随着被测量变化的光信号，因此不存在设计高压侧电子电路的问题，相应的也不会有电路的供能问题。
有源式则是指传感头部分采用传统的传感原理，仅利用光纤传输数据的电子式互感器，由于光纤只能够传输数字信号，所以必须在高压侧对传感头的输出信号进行模拟量与数字量的转换，这就势必要设计相应的电子电路，因而也就带来了电路的供能问题，这是有源式互感器研究中的难点和关键技术。 目前常用的供能方式主要有两种：一是利用电流互感器(CT)从母线上取电能供能和激光供电相结合的悬浮电源进行混合供能；二是采用微型电池供能和电流互感器在线取能相结合的悬浮电源进行混合供能。
下面就对这些方法的优缺点进行详细的分析比较。 利用CT供能和激光供能相结合的悬浮电源： 利用CT从母线上取电能的典型电路基本工作原理是利用特制CT从母线上感应电压，通过整流、滤波、稳压等后续电路处理后，提供给高压侧电子电路所必需的电源。采用这种方法面临两个困难：当母线电流处于空载等小电流状态时，如何保证电源的正常供应；而当母线处于超过额定电流的大电流状态，甚至是短路故障电流时，又要给予电源板足够的保护。
激光供能的基本原理方法采用激光或其他光源从低电位侧通过光纤将光能量传送到高电位侧，再由光电转换器件(光电池)将光能量转换为电能量，经过DC-DC变换后提供稳定的电源输出。由于激光二极管的工作原理可以确保光供率在一定温度条件下的稳定，所以通过光电池转换后得到的电源也相对比较稳定，且电源的纹波也比较小，噪声低，不易受到外界其他因素的干扰。当然，这种方法也存在不足，由于受激光输出功率的限制，特别是光电池转换效率的影响，该方法提供的能量有限，因此对高压侧电路提出了微功耗设计的要求，加大了电路设计的难度，且生产制造成本高，输出功率小，使用寿命短，故应用范围受到很大限制。
利用CT供能和蓄电池供电相结合的悬浮电源：
该悬浮电源包括整流器、滤波器、稳压器和电池模块（如图1所示）；整流器、滤波器和稳压器依次连接成稳压电路，稳压电路的输入端与工作线圈相连，输出端与输出回路相连；整流器、滤波器和电池模块依次连接成启动电路，启动电路的输入端与工作线圈相连，输出端与输出回路相连。由工作线圈从高压母线上取得电能，同时供给稳压电路和启动电路。由于电池模块直接工作所需的启动能量小于输出回路直接工作所需的能量，因此，电池模块在较低电流时即可先于输出回路启动，并给输出回路供能量。这种结构的悬浮电源的优点是结构简单，实现起来比较容易，能有效消除电流启动的部分死区，但仍存在如下不足之处：由于输出回路消耗的能量比电池模块消耗的能量大得多，故而工作线圈从高压母线上取得的电能大部分让输出回路消耗掉了，只有小部分电能供给电池模块，从而延迟了电池模块的启动，大大提高了电池模块的启动电流，电流启动的死区仍然比较大。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述不足，而提供一种微电流启动的悬浮电源，在极小电流的状态下能够短时间唤醒电路工作，最大限度地消除电流启动死区，以确保高压侧电路的正常工作。
本发明的技术方案是：一种微电流启动的悬浮电源，包括整流器、滤波器、触发器、调节开关、稳压器和电池模块，整流器、滤波器、调节开关和稳压器依次连接成稳压电路,稳压电路的输入端与工作线圈相连，输出端与输出回路相连；整流器、滤波器、触发器和电池模块依次连接成启动电路，启动电路的输入端与工作线圈相连，输出端与输出回路相连。
本发明进一步的技术方案是: 触发器由旁路电阻、限流电阻、触发模块和充电电容组成，触发器的输入端通过限流电阻与触发模块的输入端连接，旁路电阻的一端与触发器的输入端并联，另一端接地；充电电容的一端与触发模块的输入端并联，另一端接地；触发模块的接地端接地，输出端为触发器的输出端；触发器输入端与整流、虑波器输出端相连，其输出端分两路输出，其中一路与调节开关控制端相连，另一路与电池模块输入端相连。
本发明更进一步的技术方案是：调节开关由一个MOS管、两个三极管、和三个电阻组成；第一个三极管的控制极通过电阻与调节开关的控制端相连，输出极与另一个三极管的控制极相连，同时通过电阻与调节开关的输入端相连，发射极接地；第二个三极管的输出极与MOS管的控制极相连，第二个三极管的发射极接地；MOS管的控制极通过电阻与调节开关的输入端相连，输入极为调节开关的输入端，输出极为调节开关的输出端；调节开关输入端与整流、虑波器输出端相连，输出端与稳压器输入端相连，控制端与触发器输出端相连。
本发明再进一步的技术方案是：电池模块由微型电池和调节开关组成，微型电池的负极接地，正极与调节开关的输入端连接，调节开关的输出端为电池模块的输出端，控制端为电池模块的输入端。
本发明针对目前实际产品因高压区电源难以连续获取大功率能量而产生的长期工作可靠性问题，采用了智能芯片管理电流互感器在线取能与微型电池供能的混合供能方案，电流互感器在线取能方式为主，微型电池供能方式为辅，有效解决了现有技术存在的死区偏大的问题，使得一次微电流信号的损耗降到最低，解决线路小电流功率不足、电流死区和唤醒时间问题，保证了电源工作的连续稳定，在3～15000A的电流变化范围内取得了5V的稳定电压输出，在200mA电流、5ms时间内能够唤醒电路工作，断电守侯时间长达一年以上，电源的纹波小于20mV，提供的总功率为200mW，确保了高压侧电路的正常工作。
以下结合附图和具体实施方式对本发明的详细结构作进一步描述。
附图说明
图1为现有悬浮电源的结构框架示意图；
图2为本发明的结构框架示意图；
图3为本发明触发器的电路结构示意图；
图4为本发明调节开关的电路结构示意图；
图5为本发明电池模块的电路结构示意图。
具体实施方式
如图2所示：一种微电流启动的悬浮电源，包括整流器、滤波器、触发器、调节开关、稳压器和电池模块，整流器、滤波器、调节开关和稳压器依次连接成稳压电路,稳压电路的输入端与工作线圈相连，输出端与输出回路相连；整流器、滤波器、触发器和电池模块依次连接成启动电路，启动电路的输入端与工作线圈相连，输出端与输出回路相连。
触发器由旁路电阻R1、限流电阻R2、触发模块U和充电电容C组成，触发器的输入端通过限流电阻R2与触发模块U的输入端连接，旁路电阻R1的一端与触发器的输入端并联，另一端接地；充电电容C的一端与触发模块U的输入端并联，另一端接地；触发模块U的接地端接地，输出端为触发器的输出端；触发器输入端与整流、虑波器输出端相连，其输出端分两路输出，其中一路与调节开关控制端相连，另一路与电池模块输入端相连。
调节开关由一个MOS管P、两个三极管N1、N2和三个电阻R1、R2、R3组成；第一个三极管N1的控制极通过电阻R1与调节开关的控制端相连，输出极与另一个三极管N2的控制极相连，同时通过电阻R2与调节开关的输入端相连，发射极接地；第二个三极管N2的输出极与MOS管P的控制极相连，第二个三极管N2的发射极接地；MOS管P的控制极通过电阻R3与调节开关的输入端相连，输入极为调节开关的输入端，输出极为调节开关的输出端；调节开关输入端与整流、虑波器输出端相连，输出端与稳压器输入端相连，控制端与触发器输出端相连。
电池模块由微型电池E和调节开关组成，微型电池E的负极接地，正极与调节开关的输入端连接，调节开关的输出端为电池模块的输出端，控制端为电池模块的输入端。
工作时，将稳压电路和启动电路与输出回路相连接，采用高磁导率的微晶磁性材料作磁芯的CT通过互感原理获取一次导线的电流能量，通过整流、滤波后进入调节开关，最后经过稳压成稳压电路提供电源输出。
调节开关与整流、滤波电路相连结，从滤波电路获取能量通过触发器同时启动启动电路和稳压电路。
当需要一次电流信号唤醒时，调节开关断开了后面的电源输出负载回路，使得一次电流信号的全部能量集中到启动电路的触发器上，即便一次电流信号的能量极其微弱，触发器也能正常启动电池模块，让电池模块供电；直至一次电流信号能量足够时，再恢复接通电源输出负载回路。本发明有效解决了现有技术存在的死区偏大的问题，使得一次微电流信号的损耗降到最低，解决线路小电流功率不足、电流死区和唤醒时间问题，保证了电源工作的连续稳定。
本发明针对目前实际产品因高压区电源难以连续获取大功率能量而产生的长期工作可靠性问题，采用了智能芯片管理电流互感器在线取能与微型电池供能的混合供能方案，电流互感器在线取能方式为主，微型电池供能方式为辅。微型电池供能用以解决唤醒电流和唤醒时间问题，电流互感器在线取能用以解决在一次电流大动态变化条件下大功率能量获取问题。通过样机试验，验证了本发明在线取能理论与设计方法的正确性和有效性。本发明的一系列综合设计方法为原创性成果，是有源电子式电流互感器高压区电源供能理论的丰富和发展。
Claims (4)
1.一种微电流启动的悬浮电源，其特征是包括整流器、滤波器、触发器、调节开关、稳压器和电池模块，整流器、滤波器、调节开关和稳压器依次连接成稳压电路,稳压电路的输入端与工作线圈相连，输出端与输出回路相连；整流器、滤波器、触发器和电池模块依次连接成启动电路，启动电路的输入端与工作线圈相连，输出端与输出回路相连。
2.根据权利要求1所述的微电流启动的悬浮电源，其特征是触发器由旁路电阻、限流电阻、触发模块和充电电容组成，触发器的输入端通过限流电阻与触发模块的输入端连接，旁路电阻的一端与触发器的输入端并联，另一端接地；充电电容的一端与触发模块的输入端并联，另一端接地；触发模块的接地端接地，输出端为触发器的输出端；触发器输入端与整流、虑波器输出端相连，其输出端分两路输出，其中一路与调节开关控制端相连，另一路与电池模块输入端相连。
3.根据权利要求1所述的微电流启动的悬浮电源，其特征是调节开关由一个MOS管、两个三极管、和三个电阻组成；第一个三极管的控制极通过电阻与调节开关的控制端相连，输出极与另一个三极管的控制极相连，同时通过电阻与调节开关的输入端相连，发射极接地；第二个三极管的输出极与MOS管的控制极相连，第二个三极管的发射极接地；MOS管的控制极通过电阻与调节开关的输入端相连，输入极为调节开关的输入端，输出极为调节开关的输出端；调节开关输入端与整流、虑波器输出端相连，输出端与稳压器输入端相连，控制端与触发器输出端相连。
4.根据权利要求1所述的微电流启动的悬浮电源，其特征是电池模块由微型电池和调节开关组成，微型电池的负极接地，正极与调节开关的输入端连接，调节开关的输出端为电池模块的输出端，控制端为电池模块的输入端。
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